输煤栈桥结构工程量分析与选型探讨
胡俊杰*，李超，舒磊，李启宏
【摘要】 结合以往工程实例，对输煤栈桥的四个结构体系的型式进行了探讨，并对不同结构型式的工程量进行了分
析。在此基础上给出了输煤栈桥结构选型及结构设计优化的意见。
【关键词】输煤栈桥；结构选型；优化；工程量分析

输煤栈桥结构系统常规结构布置为：通过设置栈桥支架，将一个温度应力区段的输煤栈桥分割成若干段栈桥结构，每段栈桥结构的上下端分别简支于栈桥支架上，栈桥支架可选用带支撑的钢支架或混凝土支架，设计时支架上端与桥架结构按铰接考虑，支架下端锚固于基础。结构分析时对一个温度区段桥架结构和栈桥支架结构整体建模分析，桥面结构体系和屋面及墙面围护结构体系作为次级结构体系单独计算分析。
2 桥架结构选型
2.1 不同结构型式桥架的分析
桥架结构多选用钢结构体系，目前在工程中运用较广泛的桥架结构有：桁架式结构和实腹钢梁式结构。
桁架式结构体系又可分为平行弦式桁架结构体系和下撑式桁架结构体系。平行弦桁架的支座位于下弦两端节点，故可利用其桁架结构作为封闭式栈桥的侧墙支架，根据规范①要求：当采用平行弦桁架时，为保证结构的整体稳定，应在两端设门形刚架，在桁架的上弦和下弦处，宜通长设置桁架间纵向水平支撑，同时设置横向垂直支撑。而下撑式桁架的支座位于上弦端节点，由于其自重对结构稳定有利，故规范①规定在桁架之
间，沿全长设置上弦纵向水平支撑，同时设置横向垂直支撑即可；下撑式桁架的支撑位于上弦节点，其外形更接近于构件弯矩包络图，受力更合理，材料用量更省。一般来讲对于敞开式栈桥，选用下撑式桁架具有更好的经济效益，对封闭式栈桥选用平行弦栈桥能利用其桁架作为侧墙骨架和屋面受力支撑体系，可节省围护结构工程量。
实腹式钢梁桥架以钢梁替代桁架体系，结构形式简单，加工制造方便，现场施工难度小，工期短。但同等条件下，其单位面积耗钢量明显比栈桥结构要大。一般在特殊情况下可考虑采用此结构型式：如支架柱跨度较小（≤15m），采用桁架结构耗钢量优势不明显时；对敞开式栈桥，采用下弦式栈桥不满足工艺要求的净空高度时；或者对海外工程，钢结构制造加工及现场安装水平较低时。表2.1 对同等条件下的实腹式钢梁结构
和桁架式结构工程量进行了对比。
表 2.1 不同桥架结构用钢量表

2.2 桥架结构设计优化探讨
由图1.3 可知，桥架结构的工程量及相应造价占输煤栈桥结构体系比例约65%～70%，因此对桥架结构进行设计优化是降低输煤栈桥工程量的重要途径。对桥架结构设计优化可考虑从以下几个方面入手：
（1）合理控制桥架跨度。合理控制桥架单跨跨度是桥架设计的一个非常重要的环节，桥架跨度越大，其材料用量越大，加工运输及施工难度也相应增大。但从整个输煤栈桥结构体系考虑，跨度过小，将导致栈桥支架和基础工程量增加。
特别是当支架较高时，桥架跨度过小反而会导致支架结构部分工程量大幅度增加，从而将抵消缩短单跨桥架所带来的工程量减少的优势，整体工程量和费用可能不降反升。结合以往工程经验分析：对桁架式栈桥，其经济跨度范围为25～33m；对实腹式栈桥，其经济跨度范围为10～22m。在此范围内，单位平米栈桥工程量变化不大。
（2）优化栈桥结构形式。常规设计中一个温度区段内的若干跨桥架结构相互独立，每跨桥架均是以两端简支的方式搁置在栈桥支架上，根据文献④的介绍，可将同一温度区段的2 跨或是3跨简支桥架合并为空间连续桥架；一方面连续桥架在支座处形成负弯矩，使桁架弦杆内力进行了重分配，降低了弦杆内力，节约了材料用量，另一方面，空间连续桁架结构提高了整个栈桥结构水平与竖向刚度，减少了栈桥水平和竖向变形。
计算分析表明采用连续桁架可节省用钢量约10%，同时栈桥水平和竖向位移也较传统布置型式大幅减小。
（3）对实腹式钢梁栈桥结构，计算分析表明，常规结构形式下，截面选型控制因素是扰度，而不是强度。因此建议对同一温度区段内的若干跨实腹式钢梁栈桥通过采取多跨连续梁的方式或预制起拱的方式降低其挠度，实现强度控制工程量的目标。
3 栈桥支架结构选型
实际工程中，栈桥支架多采用钢筋混凝土支架或钢支架，设计一般采用上端与桥架结构铰接，下端固结于基础。当栈桥距离底面高度较小时，这种方案是合适的，但当栈桥距离地面较高时，这种结构体系存在以下问题：
（1）栈桥结构所受水平力均由栈桥支架承担，支架柱脚弯矩是随栈桥高度增加而有较大提高，因此栈桥柱脚所受弯矩极大，为抵抗此弯矩不得不加大柱的截面，同时在弯矩控制下基础工程量也相应增大很多。
（2）对钢筋混凝土支架柱而言，支架柱需要层层浇筑，虽然支架柱本身工程量不大，但脚手架工程量较大，且为高空作业，施工费、人工费及机械台班费均比较高，从而导致施工费用增加。
（3）较大的柱截面体系笨重，易影响电厂整体建筑效果。
栈桥支架体系设计改进：当栈桥距离底面高度较大时，可考虑采用钢结构栈桥支架，将支架柱上下两端均设计为铰接，释放掉柱脚约束弯矩，从而大大改善支架柱和基础的受力，起到减小柱截面和基础工程量的目地。此时，沿栈桥纵向，可通过桥架体系将所受水平力传至每个温度段的低端支座，低端支座往往位于输煤转运站或碎煤机室等建筑上，这些结构本身整体性较好，具有较大的抗侧移刚度，同时还可以通过加设柱间支撑或设置剪力墙的方式进一步增大其刚度。沿栈桥支架柱横向（垂直于皮带机方向），可设计柱间支撑，通过支撑结构承受横向水平力。由于支撑的存在，大大增加了栈桥支架柱的抗侧移刚度。
减小了栈桥横向水平位移。改进后的结构体系简图如图3.1、图3.2 所示。